科學(xué)家們發(fā)明了一種緊湊型光譜單色透鏡，可將標(biāo)準(zhǔn)照相機(jī)變成高光譜照相機(jī)，從而減小了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜性。這一突破可將高光譜成像擴(kuò)展到便攜式應(yīng)用中，未來還將有更多改進(jìn)。

我們收集的信息影響著我們對(duì)世界的理解和看法。幾個(gè)世紀(jì)以來，光學(xué)一直試圖通過光的“工具箱”來解釋我們周圍的多維數(shù)據(jù)。17 世紀(jì)，Sir Isaac Newton提出了透鏡成像公式，并進(jìn)行了著名的色譜實(shí)驗(yàn)，為這一領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

從那時(shí)起，透鏡和光譜儀作為捕捉信息的重要光學(xué)元件被廣泛研究。將這兩個(gè)組件串聯(lián)起來，可以獲取更多信息--空間和光譜數(shù)據(jù)。然而，這種配置會(huì)導(dǎo)致設(shè)備占地面積、光譜分辨率和成像質(zhì)量之間的權(quán)衡，阻礙高光譜相機(jī)的便攜性和小型化。

高光譜成像的突破

在《光： 科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Application）上發(fā)表的一篇新論文中，由武漢大學(xué)和南京大學(xué)科學(xué)家組成的合作團(tuán)隊(duì)推出了一種平面光譜單色透鏡，它將光學(xué)成像和計(jì)算光譜學(xué)這兩種不同的功能整合到了一個(gè)超緊湊的平面裝置中。有了這種光譜透鏡，只需用光譜透鏡替換原來的透鏡，就可以輕松地將標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)升級(jí)為高光譜相機(jī)，而無需更換相機(jī)的其他部件。

圖片:Artistic-Illustration-of-Hyperspectral-Imaging-With-the-Liquid-Crystal-Spectral-Lens.png

使用液晶光譜鏡頭進(jìn)行高光譜成像的效果圖。

這項(xiàng)研究源于該項(xiàng)目首席科學(xué)家Guoxing Zheng教授課題組對(duì)多維光操控的研究。Guoxing Zheng教授說：“傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)裝置的光譜成像性能受限，根源在于光學(xué)元件的光操控能力。我們需要探索新的光控原理，以克服性能限制。”

將液晶光學(xué)器件用于光譜透鏡

光譜透鏡是利用平面液晶（LC）光學(xué)器件物理實(shí)現(xiàn)的。液晶光學(xué)專家、該項(xiàng)目的合作者Peng Chen教授說：“我們重新研究了平面液晶器件的光操縱，發(fā)現(xiàn)相位調(diào)制和光譜控制可以通過利用兩個(gè)幾何上可分離的參數(shù)，液晶導(dǎo)向器的方位角取向和極取向——進(jìn)行獨(dú)立定制。這樣的特性使液晶成為開發(fā)光譜透鏡和解決目前小型化光譜成像系統(tǒng)挑戰(zhàn)的理想候選材料。”

在他們提出的液晶光譜透鏡中，每個(gè)單元格既是相位調(diào)制器，又是電可調(diào)光譜濾波器。這使得 LC 設(shè)備能夠在寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的相位控制，從而獲得高質(zhì)量的成像；同時(shí)，光譜透鏡在不同波長上表現(xiàn)出不同的聚焦特性，從而能夠提取光譜信息。

演示高光譜相機(jī)的功能

研究人員使用 LC 光譜透鏡演示了一臺(tái)概念驗(yàn)證型毫米級(jí)高光譜相機(jī)。利用他們的高光譜相機(jī)，獲得了 500 × 500 像素的高質(zhì)量光譜圖像，平均光譜保真度為 96.3%，空間分辨率約為衍射極限的 1.7 倍。

他們還通過將其應(yīng)用于海報(bào)和 LED 屏幕的高光譜成像等各種場(chǎng)景，展示了所提出的高光譜相機(jī)的多功能性。與傳統(tǒng)的高光譜相機(jī)相比，他們提出的帶有光譜單子透鏡的方法可以大大減小高光譜成像系統(tǒng)的尺寸、重量和復(fù)雜性，使其更易于廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、智能手機(jī)和便攜式醫(yī)療保健設(shè)備等新興領(lǐng)域。

共同作者、武漢大學(xué)的Zile Li教授補(bǔ)充說：“我們的研究為微型化高光譜成像提供了一種新方法，這項(xiàng)技術(shù)不僅簡化了當(dāng)前的系統(tǒng)，還保持了卓越的性能，是微型化和便攜性至關(guān)重要的應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇�！�

隨著研究范圍繼續(xù)擴(kuò)大，他們?cè)O(shè)想探索用其他新型材料實(shí)現(xiàn)光譜單線，并通過與其他多功能光操縱平臺(tái)的協(xié)同作用升級(jí)光譜透鏡，以展開具有更先進(jìn)功能的成像系統(tǒng)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01608-w